高溫紅外輻射高鋁耐火磚涂料的研究

高溫紅外輻射高鋁耐火磚涂料的研究

作為一種新型的節(jié)能材料，高溫紅外涂料在工業(yè)設(shè)備的應(yīng)用中顯示出良好的節(jié)能效果。高溫紅外輻射涂料主要由輻射粉體基料與粘結(jié)劑組成,通過強化爐內(nèi)輻射傳熱,改善其溫度均勻性,從而使?fàn)t子的熱效率及產(chǎn)品的熱質(zhì)量得到提高。施涂于窯爐內(nèi)壁的涂料需要經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)才能與爐磚形成良好的結(jié)合。燒結(jié)制度決定著涂料的微觀結(jié)構(gòu),從而影響涂層的使用性能。材料的紅外輻射主要是因其粒子振動引起偶極矩變化而產(chǎn)生的,根據(jù)對稱性選擇定則:粒子振動時的對稱性越低,偶極矩的變化就越大,其紅外輻射性能就越強。而降低粒子振動對稱性的主要因素是晶格畸變。涂料在燒結(jié)過程中,微觀粒子振動的動能及振幅都較大,通過擴散形成晶格缺陷,從而引起點陣畸變以致極化,降低了粒子振動的對稱性,提高了晶格振動活性,進而提高了材料的紅外發(fā)射率。因此,可通過控制燒結(jié)工藝來改善涂料微觀結(jié)構(gòu),使其組織均勻化,以便獲得較高的強度和良好的輻射性能。本文中采用廉價鉻鐵礦粉為主要原料制備紅外輻射涂料,通過熱分析確定涂料的燒結(jié)制度,并對燒結(jié)后的涂料進行物相結(jié)構(gòu)和形貌分析;利用光譜法向發(fā)射率測試分析涂料的紅外輻射率;采用在高鋁磚上噴涂涂層的方法檢驗所制備涂層的結(jié)合強度和抗熱震性能。1實驗方法1.1輻射粉料配方實驗所用的Fe-Cr系高溫紅外輻射涂料,是以工業(yè)級鉻礦粉、MnO2、CuO、Co2O3等原料制備輻射粉料,市售硅溶膠為主要粘結(jié)劑,加入藍晶石等添加劑,通過強力攪拌,從而配制成混合均勻的黏稠狀漿體涂料。1.2燒結(jié)性能測試將所配涂料取部分在常溫下烘干、粉碎、磨細,制成粉末樣品。對粉末樣品進行差熱分析,確定燒結(jié)制度。采用DuPont2100型差熱分析儀,以Al2O3粉末為參照物,升溫速度為10℃/min。將粉末樣品壓片成型進行燒結(jié)實驗。利用SEM觀察常溫樣品及燒結(jié)樣品的顯微結(jié)構(gòu),并分析物相分布及變化,同時對燒結(jié)后的涂料進行紅外光譜法向發(fā)射率測試。為測試所制備涂料與耐火磚(高鋁磚)的結(jié)合強度,在耐火磚上噴涂厚度約為0.5mm的涂層。根據(jù)所確定的燒結(jié)制度燒結(jié)涂層,用SEM觀察其冷卻至室溫時的涂層表面及與耐火磚結(jié)合界面的形貌,并對結(jié)合界面做電子探針線分析。對燒結(jié)后的耐火磚涂層樣品進行抗熱震性實驗:將燒結(jié)的試樣從室溫加熱到1000℃,并保溫30min;取出試樣置于室溫下自然冷卻,同時觀測和記錄試樣表面情況;待試樣溫度降至室溫后再放入1000℃爐內(nèi),連續(xù)重復(fù)上述急熱、急冷試驗過程12次。2結(jié)果與分析2.1涂料燒結(jié)溫度的確定所配制涂料的熱重-差熱曲線如圖1所示?？梢钥闯?從室溫到400℃階段,伴隨著涂料中吸附水的脫水及添加物的分解使TG曲線下降;而部分有機物在350℃左右發(fā)生氧化,對應(yīng)DTA曲線出現(xiàn)放熱峰。400℃之后,TG曲線持續(xù)下降,涂料中的大量層間水、結(jié)晶水及結(jié)構(gòu)水發(fā)生脫水而呈現(xiàn)吸熱現(xiàn)象;之后,所加入的分散劑發(fā)生分解使對應(yīng)的DTA曲線出現(xiàn)放熱峰。至1100℃左右,涂料中的燒結(jié)助劑藍晶石開始發(fā)生分解,隨著溫度不斷升高逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊硎腿廴跔钣坞xSiO2,這一階段DTA曲線呈現(xiàn)吸熱現(xiàn)象。根據(jù)涂料壓片樣品燒結(jié)后的SEM觀察結(jié)果,確定涂料燒結(jié)溫度為1500℃;為使涂料在各溫度段能夠充分反應(yīng),故燒結(jié)時升溫速率應(yīng)較緩慢,并于1500℃保溫2h,燒結(jié)后涂層的使用溫度應(yīng)低于1500℃。2.2燒結(jié)過程對涂料組分的影響圖2為燒結(jié)前后涂料樣品的掃描電鏡觀察結(jié)果。觀察圖2(a),圖中1、2兩種粉末顆?；旌戏植加诨w3上,對這3種物相進行元素分析,確定所對應(yīng)涂料的主要物相分別是鐵鉻系高發(fā)射率粉體、主要成分為Al2O3·SiO2的燒結(jié)助劑以及主要成分為SiO2的粘結(jié)劑。對比圖2(b)可以看出,常溫干燥的涂料結(jié)合松散;而經(jīng)1500℃燒結(jié)后,涂料的氣孔率明顯降低。區(qū)域4所示物相均勻鑲嵌于區(qū)域5所示的物相中,這是由于燒結(jié)過程中產(chǎn)生的液相均勻化并填充了未熔物間隙,使得涂料致密均勻。對圖2(b)中區(qū)域4、5所表示的物相進行元素分析可知,這兩相分別是Fe-Cr高發(fā)射率輻射粉體相和Al-Si基體相。對燒結(jié)后的涂料進行XRD測試,結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?涂料經(jīng)過燒結(jié)后,高發(fā)射率輻射粉體以尖晶石相均勻鑲嵌在鋁硅基體相中。在燒結(jié)過程中,涂料組分中的微觀粒子振動的動能及振幅都較大,通過尖晶石結(jié)構(gòu)中的置換摻雜造成晶格畸變及產(chǎn)生雜質(zhì)能級,使微觀粒子振動的對稱性降低,晶格振動的活性及輻射帶都得到增強;并且由于材料在2.5~5μm波段的紅外輻射主要源于體系中的電子躍遷,而燒結(jié)過程的離子摻雜提供了更多的電子軌道能級,也增強了涂料的短波段輻射能力。同時,燒結(jié)過程的進行也控制了晶粒的大小、形狀以及燒結(jié)密度,使涂料散射系數(shù)減小,有利于獲得較高的發(fā)射率。2.3全濾波器發(fā)射率對燒結(jié)后的涂料進行法向光譜發(fā)射率測試,結(jié)果如圖4所示。測試結(jié)果表明,燒結(jié)后的涂料在2~5μm波段的平均發(fā)射率為0.893728,全波段(2~18μm)平均發(fā)射率為0.885997,遠高于常用耐火磚在同波段的發(fā)射率(約0.4)。同時,由于燒結(jié)后的涂層在2~5μm波段有較高的平均發(fā)射率,與一般工業(yè)窯爐的主要輻射光譜波段(1~5μm)相匹配,這樣更有利于獲得良好的節(jié)能效果。2.4耐火磚涂層抗熱震性實驗圖5為涂層與耐火磚的結(jié)合界面形貌圖?？梢钥闯?經(jīng)過燒結(jié),涂層與耐火磚結(jié)合緊密,無裂紋和縫隙。對涂層和耐火磚結(jié)合界面進行電子探針線分析,掃描結(jié)果如圖6所示?？梢?涂層與耐火磚結(jié)合界面上各元素如Cr、Fe和Mg元素,其含量在結(jié)合層呈階梯平緩過渡的漸變過程,而非突變,說明涂層與耐火磚表面間存在一定的熱化學(xué)反應(yīng)和元素滲透現(xiàn)象,反映出涂層與耐火磚結(jié)合狀態(tài)良好。對燒結(jié)后的涂層樣品進行抗熱震性實驗,將試樣于1000℃保溫30min,取出試樣置于室溫下急冷;待試樣溫度降至室溫后再放入1000℃爐內(nèi),連續(xù)重復(fù)此急熱、急冷過程。試樣連續(xù)經(jīng)過12次熱、冷交替過程,耐火磚涂層表面熱震前后照片如圖7所示?？梢钥闯?涂層經(jīng)12次熱震實驗后未發(fā)生任何剝落或開裂,燒結(jié)后的陶瓷涂層與耐火磚緊密結(jié)合,說明涂層的抗熱震性良好。3涂層的紅外光譜測試(1)采用鐵鉻系原料作為輻射粉料,與粘結(jié)劑、添加劑、助燒劑混合,制備了紅外輻射涂料。涂料經(jīng)1500℃燒結(jié)后,形成兩相復(fù)合體,粘結(jié)